大规模多输入多输出（massive multiple-input multiple-output,massive-MIMO）作为第五代（5G）移动通信的一项物理层关键技术,相较传统MIMO拥有成倍增加的天线及射频通道数目,因此在理论上具备非常高的空间分辨率,从而使得无线频谱效率大幅提升。然而,在实际系统开发与部署中,大规模MIMO却时常受困于“低性价比”问题,即硬件复杂度与成本成倍增加,但系统性能并未相应地成倍提升,尤其是在用户密集分布的、相对“困难”的电磁波传播场景中。针对这一问题,目前绝大多数研究都是从天线选择（antenna selection）、用户调度（user scheduling）以及信号处理等方面进行的考量,很少有针对大规模MIMO天线阵列形态与结构的深入研究。为解决“低性价比”问题,在本文中,我们提出匹配电磁波传播环境的天线阵列设计思想与方法,发掘大规模MIMO天线阵元排布的高自由度,通过适应性地优化设计天线阵列的形态与结构来提升系统性能,并降低系统复杂度。基于天线阵列设计与基站所处环境电磁波传播特性相匹配的思想,我们通过最大化统计信道容量的上界来优化大规模MIMO天线阵列的结构。本文以矩形阵列为例,在天面空间资源受限的情况下,优化水平、竖直方向的天线数目和相邻阵元间距;同时,基于3GPP 3D信道模型,获取多种典型5G场景下的信道环境,并通过角度功率谱（angular power spectrum,APS）来表征特定环境下的电磁波传播特性,以此作为天线阵列设计的依据。具体而言,我们优化设计城市宏区、城市高楼宏区场景中,用户在地面上或高楼里密集分布、分散分布情况下的矩形双极化天线阵列,并评估设计得出的天线阵列带来的系统性能增益。我们研究发现,优化设计出的大规模MIMO天线阵列,对比目前常用的大规模MIMO阵列,可以带来较大幅度的性能增益,只有在城市宏区用户密集分布的“困难”场景下,所获得的增益相对较小。仿真结果表明,在10 d B信噪比（signalto-nosie ratio,SNR）的情况下,采用迫零（zero-forcing,ZF）和匹配滤波（matchedfiltering,MF）波束赋形方式的设计阵列,将分别带来至少32%和24%的系统速率提升,与此同时,天线和射频通道数却远低于目前常用阵列。值得注意的是,低复杂度的MF波束赋形可以使系统多用户MIMO和速率达到信道容量的44%-72%。因此,通过设计大规模MIMO天线阵列,使得阵列结构和特定环境的电磁波传播特性相匹配,我们不仅可以大幅提升系统性能,还能在基站端部署较少数量的射频通道并采用低复杂度的MF波束赋形。本文的研究结果为5G/5G+大规模MIMO系统实现和性能增强提供了新的思路和方法。针对上述用户密集分布的“困难”场景,由于设计阵列采用ZF、MF的系统速率分别只有信道容量的27%和19%,为进一步提升该场景下的系统性能,我们在天线阵列设计的基础上引入了全新的自由度——透射电磁表面设计。我们在理论上假设,电磁表面具备调整来波相位的能力,通过将其与天线阵列相结合,等效于改变了电磁波传播或等效于改变了天线阵列响应。通过对透射表面进行优化,我们可以使得上述两个速率性能指标分别达到信道容量的61%和51%。结果表明,电磁表面的引入不仅可以极大地改善“困难”场景下大规模MIMO的系统性能,同时为节省天面空间资源提供了可能性,这为天线阵列设计提供了一个潜在的新方向。